譜修正技術在脈沖壓縮信號檢測中的應用

鄒彬彬，陳晶晶，荊成財，王潤田

?

譜修正技術在脈沖壓縮信號檢測中的應用

鄒彬彬，陳晶晶，荊成財，王潤田

(中國科學院聲學研究所東海研究站，上海 200032)

脈沖壓縮是信號檢測的一個重要技術，在多目標水聲環(huán)境下，為避免強目標脈沖壓縮輸出的旁瓣掩埋弱目標的主瓣，引入窗函數(shù)加權技術來抑制旁瓣，提高對目標的空間分辨率。同時考慮到實驗中聲吶系統(tǒng)的帶寬和時寬受限制，對于小時寬帶寬積的脈沖壓縮信號，引入譜修正技術，進一步提高主旁瓣比。利用Matlab給出理論仿真結果，并通過實驗驗證該技術在噪聲背景下對觀測小目標的實用性。

脈沖壓縮；抑制旁瓣；窗函數(shù)加權；譜修正技術；

0 引言

為了提高聲吶系統(tǒng)的作用距離，在發(fā)射端平均功率允許的前提下，可增大脈沖寬度來提高信號的能量。但是在單頻脈沖下，脈沖寬度直接決定了距離分辨率，這樣就無法同時提高聲吶的探測距離和距離分辨率。為兩者兼顧，引入脈沖壓縮技術[1]。線性調頻信號(Linear Frequency Modulation, LFM)是研究最早、應用最廣泛的脈沖壓縮信號，具有對目標回波信號多普勒不敏感、技術較為成熟的優(yōu)點。本文的仿真研究和實驗驗證中，均使用LFM信號作為脈壓系統(tǒng)的發(fā)射信號。

1 數(shù)字脈沖壓縮的理論和仿真

1.1 線性調頻信號

LFM信號的表達式為：

瞬時頻率()與時間成線性關系，對()做傅里葉變換可得LFM信號的頻譜表達式為[2]

圖1給出了時寬帶寬積(TB值)分別為40和140的LFM信號的幅度譜仿真結果，其中信號頻帶分別為80~120 kHz和30~170 kHz，時寬均為1 ms。TB值越大，幅度譜越接近矩形。

由以上分析可知，作為發(fā)射信號，LFM信號在帶寬內頻率按線性規(guī)律變化，相位具有色散性。為了實現(xiàn)壓縮，在接收端設置一個與發(fā)射信號相位共軛的壓縮網(wǎng)絡，其相位色散絕對值相等，符號相反，即線性調頻信號的脈沖壓縮是通過匹配濾波器來實現(xiàn)的[3]。根據(jù)匹配濾波理論，其傳輸函數(shù)為

圖2 脈沖壓縮輸出

1.2 窗函數(shù)加權技術

根據(jù)式()分析可得，輸出的最大主旁瓣比是-13.49 dB，其它旁瓣按其離主瓣間隔按1/進行衰減，那么強目標信號的旁瓣可能會淹沒弱目標信號的主瓣，造成目標丟失。為了提高聲吶系統(tǒng)分辨多目標的能力，通常采用函數(shù)加權的方法來降低旁瓣，提高弱信號的檢測能力[5]。工程中考慮旁瓣抑制，主瓣展寬，信噪比損失及實現(xiàn)難易程度，一般采取海明窗、漢寧窗、余弦平方等窗加權函數(shù)。本文采用海明窗進行頻域加權，其表達式為

窗函數(shù)的加權可以通過修改匹配濾波器的傳輸函數(shù)來完成，加入海明窗后的傳輸函數(shù)為

圖3是經(jīng)過海明窗加權和未經(jīng)過海明窗加權的脈沖壓縮輸出結果的仿真對比。

從圖3可見，使用海明窗加權可以使主旁瓣比提升10 dB左右，并且主瓣展寬較小。

圖3 經(jīng)過海明窗加權的效果

1.3 譜修正技術

相對于雷達，聲吶脈沖壓縮系統(tǒng)一般都為小時寬帶寬積的信號，小壓縮比的LFM信號幅度譜不再具有近似的矩形特性，通帶內的菲涅爾波紋較大，如圖1所示，窗函數(shù)加權抑制旁瓣后仍然不能滿足工作需求，因此對于較小的LFM信號，引入譜修正技術是十分有必要的。

譜修正就是將線性調頻信號的頻譜修正為矩形，使匹配濾波器的輸出具有矩形，這樣就有[6]

譜修正后的匹配濾波器傳輸函數(shù)為

在頻域上實現(xiàn)的脈沖壓縮濾波器由四部分組成：帶通濾波、匹配濾波、窗加權濾波和譜修正濾波。在頻域進行數(shù)字脈沖壓縮的流程如圖4所示，其仿真結果如圖5所示。

圖4 頻域脈沖壓縮流程圖

圖5 經(jīng)過譜修正的效果

由圖5可知，引入譜修正技術后，主旁瓣比大幅提升，并且主瓣展寬和信噪比損失均較少。

2 實驗結果及分析

脈沖壓縮算法實現(xiàn)及水池實驗使用的DSP芯片為ADI公司的定點DSP，它基于ADI和Intel聯(lián)合開發(fā)的微信號架構，兼有DSP強大的信號處理能力和通用型微控制器的易用性，外設功能強大，極大地簡化了系統(tǒng)的硬件和軟件設計[7]。DSP處理流程圖見圖6。

圖6 DSP處理流程圖

2.1 小目標檢測

實驗室水池尺寸為4 m×2.1 m×2.8 m，池底目標繁雜，有鋼管、塑膠管等雜物，收發(fā)合置換能器的位置在水下1 m處，回波信號的采集時間長度為2 ms，內核定時器的延時根據(jù)目標離換能器的位置進行調整，以確保目標在采集的時間窗內。所用換能器的中心頻率為100 kHz，帶寬為40 kHz，張角為20°。目標小球直徑為12 cm，初始放置距離換能器的軸向為2m，并以此為參考點分別后移20 cm和55 cm。

使用ADSP的編譯環(huán)境VDSP將采集的回波信號和脈沖壓縮輸出繪圖如7所示。

在圖7的(b)、(d)和(f)中可以發(fā)現(xiàn)有個移動的小尖峰，便是目標小球。移動間距依照DSP輸出計算為18 cm和51 cm。脈沖壓縮技術可以將目標從雜亂無章的回波信號中識別出來，效果良好。誤差主要來源于聲速測定和目標擺放。

2.2 多目標識別

目標間距的測量實驗，以檢驗脈沖壓縮技術的距離分辨率。目標分別為池壁和一塊40 cm×40 cm的方形鋁板，兩目標的測試間距分別為30、10和5 cm，回波信號和脈沖壓縮輸出結果如圖8所示。

在圖8的(a)、(c)和(e)中可以發(fā)現(xiàn)回波信號疊加現(xiàn)象嚴重，較難直觀快速地對目標進行分辨和測間距，但經(jīng)過脈沖壓縮之后，由8(b)、8(d)和8(f)可見，兩個目標尖峰清晰，計算間距分別為：29.5、11.5和4.1 cm，與目標實際間距吻合較好。誤差主要來源于聲速測定和目標擺放。在池壁峰值之后的尖峰為池中鋼管。

3 結語

本文對基于線性調頻信號的聲吶脈沖壓縮系統(tǒng)進行了較為全面的仿真，并且通過水池實驗，對實際采集的脈沖壓縮數(shù)據(jù)進行處理和分析，得到較好的效果，驗證了窗加權譜修正脈沖壓縮算法對于聲吶系統(tǒng)的有效性。

[1] Mark A Richards. 雷達信號處理基礎[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: 142.

Mark A Richards. Fundamentals of radar signal processing[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2007: 142.

[2] 張明友, 汪學剛. 雷達系統(tǒng)(第二版)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006: 254-255.

ZHANG Mingyou WANG Xuegang. Radar system[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2006: 254-255.

[3] Bassem R Mahafza, Atef Z Elsherbeni. 雷達系統(tǒng)設計MATLAB仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 169-170.

Bassem R Mahafza, Atef Z Elsherbeni. MATLAB Simulation for Radar Systems Design[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2009: 169-170.

[4] 鄭力文, 孫曉樂. 線性調頻信號數(shù)字脈沖壓縮技術分析[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2011, 34(1): 39-42.

ZHENG Liwen, SUN Xiaole. Digital pulse compression technology of linear frequency modulation signal[J]. Modern Electronics Technique, 2011, 34(1): 39-42.

[5] 徐玉芬. 現(xiàn)代雷達信號處理的數(shù)字脈沖壓縮方法[J]. 現(xiàn)代雷達, 2007(07): 61-64.

XUE Yufen. Methods of Digital Pulse Compression in Modern Radar Signal Processing[J]. Modern Radar, 2007(07): 61-64.

[6] 張靜. 脈沖壓縮及其旁瓣抑制技術研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2005: 22-23.

ZHANG Jing. Pulse compression and sidelobe supression technology[D]. Xi’an: A dissertation of the degree of master in Xidian University, 2005: 22-23.

[7] ADSP-BF50X Blackfin Processor Hardware Reference(Revision1.0). Analog Devices, Inc, 2010.

Application of pulse compression technique in underwater acoustic detection

ZOU Bin-bin, CHENG Jing-jing, JING Cheng-cai, WANG Run-tian

(Shanghai Acoustic Laboratory, Chinese Academy of Science, Shanghai 200032, China)

In order to solve the contradiction between operation distance and range resolution of the sonar, the principle of pulse compression is analyzed. The sidelobe suppression of linear frequency modulation signal (LFM) is introduced to avoid target omission. Considering the small product of timewidth and bandwidth of sonar system, the technique of modification to signal spectrum is adopted .The suggested algorithm is simulated by MATLAB and realized based on ADSP-BF506F in our experiment.

pulse compression; sidelobe suppression; signal spectrum modification

TB556

A

1000-3630(2014)-03-0275-05

10.3969/j.issn1000-3630.2014.03.018

2013-01-28;

2013-05-02

上海市科委“科技創(chuàng)新行動計劃”資助項目(12231203800)。

鄒彬彬(1989－), 男, 浙江舟山人, 碩士研究生, 研究方向為聲學信號處理。

鄒彬彬, E-mail: zoubinbin11@mails.ucas.ac.cn